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西门子S7-1500 系统在和成矿业破碎生产自动化中的应用
2019-02-21
针对芜湖和成矿业发展有限公司选厂破碎工序自动化系统落后的问题,进行了流程 自动化系统升级改造,将破碎段设备纳入自控系统,在中央控制室统一调配监控。系统升级采用西 门子S7-1500 系统作为主控CPU,中控室内采用Wincc 作为上位机人机操作界面,完成S7-1500 系 统的指令下达和系统监控功能。该选厂自控系统首次选用S7-1500 系列的PLC,系统性能得到显 著的提高且功能强大,拥有快速的信号处理能力;该系统不仅具有节省电能、破碎生产效率高、人员 配置少、设备安全可靠性高、组态画面维护简单的优点,而且便于管理。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 西门子 S7-1500 系统在和成矿业 破碎生产自动化中的应用 叶成莹 1. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2. 华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 针对芜湖和成矿业发展有限公司选厂破碎工序自动化系统落后的问题,进行了流程 自动化系统升级改造,将破碎段设备纳入自控系统,在中央控制室统一调配监控。 系统升级采用西 门子 S7-1500 系统作为主控 CPU,中控室内采用 Wincc 作为上位机人机操作界面,完成 S7-1500 系 统的指令下达和系统监控功能。 该选厂自控系统首次选用 S7-1500 系列的 PLC,系统性能得到显 著的提高且功能强大,拥有快速的信号处理能力;该系统不仅具有节省电能、破碎生产效率高、人员 配置少、设备安全可靠性高、组态画面维护简单的优点,而且便于管理。 关键词ꢀ PLCꢀ 自动化ꢀ S7-1500 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 061 ꢀ ꢀ 矿山企业高度重视自动化的建设,实现选矿过 息层(各操作站、工程师站),可实现与设备层和信 息层的高效互联,确保网路和数据流的安全性和实 效性,实现各种功能应用,如操作、监控、组态及数据 接口等。 控制层和现场设备层采用新一代基于工业 以太网技术的自动化总线标准———PROFINET 工业 以太网,完成主控 PLC 与各分站的通讯、数据交换。 程自 动 化 选 用 S7-1500 系 列 的 PLC 作 为 主 控 [ 1] CPU ,可大大提高破碎机的工作效率,降低油耗, 改善劳动条件,减少岗位人员配置,使选矿生产更加 经济合理。 根据芜湖和成矿业发展有限公司龙塘沿 铁矿的现场情况,针对其选矿工艺及设备的特点,考 虑到现场的投资性价比及现场的实际技术要求,选 用 S7-1500 系统实时采集龙塘沿铁矿选矿厂破碎流 程中的生产流程工艺参数、设备运行参数,并将数据 1 . 2ꢀ 控制系统配置 采用 PLC 设备作为控制系统的控制核心,系统 由控制站、操作站、工程师站、网络交换机等设备组 成,现场仪表和执行机构根据需要分别选用能适宜 矿山应用、性价比优异的产品。 4 个控制站分别是 中控室主站、预选分站、中细碎分站、筛分分站。 通过 PROFINET 现场工业以太网组成分布式 的 I/ O 控制系统和中央控制室的工控机与控制站的 数据联接,将选矿厂的生产流程、工艺参数及设备的 运行状态进行实时传送与显示,达到实时、准确、全 面地了解生产状态和控制操作生产工艺的目的。 [ 2] 传送到控制室 ,由控制室根据生产状况及工艺要 求,对工艺过程、生产设备、工艺参数等进行自动控 制,使龙塘沿铁矿选矿厂的控制效果达到了减员增 效、提质稳产、节能降耗的目的。 1 1 ꢀ 西门子 S7-1500 自控系统硬件设计 . 1ꢀ 控制系统总体架构 根据龙塘沿铁矿选矿工艺及设备配置要求,选 矿厂的控制系统由 1 个中央控制主站和 3 个控制分 站组成,人机交互操作系统由 1 台工程师站兼操作 员站和 1 台操作员站组成。 控制系统的结构分为设 备层、控制层与信息层 3 层。 各层网可以独立运行, 网与网之间通过网关来达到隔离功能,保证综合自 动化系统的安全性与独立性。 1 . 3ꢀ 控制系统选型 破碎段自动化系统设计采用西门子 S7-1500 系 列 PLC,SIMATIC S7-1500 卓越的系统性能可极大 地缩短系统的响应时间,进而优化控制质量,提高系 统性能。 它的主要特点有:处理速度快,高速背板总 线,网络通信功能强大,集成 Web Server 功能,大存 采用工业以太网连接控制系统中的控制层和信 [ 3] 储空 间 。 系 统 下 设 3 个 I/ O 分 站, 分 别 选 用 IM155-5 作为各分站的接口模块, 通讯方式采用 ꢀ ꢀ 叶成莹(1985—),女,工程师,243000 安徽省马鞍山市经济技术 开发区西塘路 666 号。 2 46 ꢀ ꢀ 叶成莹:西门子 S7-1500 系统在和成矿业破碎生产自动化中的应用ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 Profinet 工业以太网,各分站通过光缆与 CPU 进行 通讯,进行数据交换,响应周期最快可达 250 μs,系 统的稳定性及时效性极高(网络拓扑图见图 1)。 其 中,CPU 选型定位 CPU1511-1 PN, 该 CPU 是 S7- 设计画面,以棒状图格式模拟现场监测仪表,显示各 参数的设定值、检测值、报警值、操作值和阀门开度 等信息。 (5)显示工艺设备的运行状态。 系统通过 DCS 监控平台实时监控工艺流程上主要设备的运行、工 作状态,并对采集的数据进行智能分析,保证生产线 工序正常运作,降低生产人员劳动强度,提高工作效 率。 1500 系列中性价比最高的一款,在满足现场控制要 求的同时降低了投资成本。 I/ O 模块中 DI 模块选 用的 DI 16×230V AC BA 可以减少控制柜内继电器 的使用数量,接线更加方便;DO 模块 DQ 32 ×24V DC / 0. 5A 紧凑型,模块设计紧凑,占用空间小;AI 和 AO 模块分别选用 AI 8×U/ I HS 和 AQ 8×U/ I HS,各 通道都具有单独的诊断功能,支持快速故障恢复。 1. 4. 3ꢀ 系统的安全保护功能 安全和可靠性一直是各回路控制程序编制过程 中的提前条件,在出现参数越限、系统通讯故障、硬 件采集故障等问题时,系统会采取相应的措施。 当 系统出现故障情况时,所编制的程序将保持原有模 块的输出状态并及时进行报警。 同时,软件编制过 程中会充分考虑各种误操作的情况,并进行相应的 联锁保护,避免异常情况带来的负面影响, 1 . 4. 4ꢀ 系统的通讯功能 控制系统中含有 3 个通讯功能:①外部通讯功 能的 OPC / DDE 接口,可与原有的管理网进行数据 互传,实现数据共享的功能;②与其他自控系统的过 程 PLC 系统之间的通讯功能,一般多采用以太网的 通讯协议;③与现场各控制设备及仪表直接的通讯 功能,如除尘风机系统、润滑系统、圆锥破碎机等设 备的通讯,一般采用多 Modbus 或 Profibus-DP 的通 讯协议。 图 1ꢀ 破碎自动化系统网络拓扑图 1 1 . 4ꢀ 功能设计 . 4. 1ꢀ 系统的控制功能 龙塘沿铁矿选矿厂自控系统以手动和软手动/ 2 ꢀ Wincc 上位组态人机交互平台 自动 2 种控制方式,对现场主要设备进行起停控制; 根据工艺流程要求和现场设备运行状态,对设备的 启停进行安全保护、联锁报警等控制,对各种风机、 皮带、电机等设备进行状态监视。 2 . 1ꢀ 上位机界面 上位机软件选用的西门子 Wincc 7. 3 提供了监 控和数据采集等必要功能且操作方便,还具有分级 报警功能,是一个扩展性强、监管性高且反复利用的 监控组态软件。 在人机交互标准画面中包括主画 面、参数画面、趋势显示画面、报警汇总表、事件记录 表等,有强大的信息输出功能,系统维护功能等。 人 机交互界面见图 2。 1 . 4. 2ꢀ 系统的监测功能 1)选矿过程的主要工艺参数,如矿仓料位、皮 ( 带跑偏、打滑、撕裂,皮带急停、皮带机电流等由 DCS 监控平台进行在线检测,由控制系统进行线性化及 数字滤波等处理。 2 . 2ꢀ 系统功能 根据选矿工艺流程顺序,对中、细碎及筛分生产 ( 2) 系统具有显示工艺全流程动态参数的功 能。 在动态工艺流程图画面中,除动态地显示出选 矿生产工艺流程外,还能实时、准确地在相应位置上 显示各工艺参数的实际值、报警状态和操作状态等。 设备进行联锁自动启/ 停控制;对粉矿仓进行自动布 料,根据各矿仓的实时料位反馈情况,布料小车自动 选仓布料;实现启停预报功能,在生产和停车之前, 可通过自动化系统控制现场的电铃和报警装置进行 各生产段的预报示警, 提供系统的安全性; 通过 OPC-Server 的方式采集山特维克圆锥破碎机的实时 生产数据,在中控管理系统中集中显示;对生产过程 中各设备的生产数据归档收集,可随时进行查询,有 利于故障排查及生产数据统计。 ( 3)系统采用 WINCC 软件的标准画面形式,根 据变量的相关性设置画面总体显示内容,报警值设 置,完成自动/ 手动切换、给定参数设置等功能。 报 表输出相关参数的变化趋势、历史数据及历史记录 等,并对重要工艺参数采用趋势图形式进行记录。 ( 4)分区模拟监视画面将相关的采集参数分区 2 47 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 图 2ꢀ 人机交互界面主画面 3 ꢀ 系统优势分析 系统选型采用最新的 S7-1500 系列产品,相对 公司首次投入使用 S7-1500 系列的 PLC,效果显著, 预计在未来的项目使用上会更加广泛,具有很高的 推广使用价值。 项目后期将继续深入研究 S7-1500 新推出的自动化功能应用,有针对性地建立数据模 型并尽早形成成熟的产品进行推广。 于原有的 S7-300 系列而言,具有以下几点优势:产 品的性价比更高;I/ O 模块的通道具有单独的诊断 指示灯,维护起来更加便捷;CPU 可以挂载更多的 模块,有利于系统的扩展;程序的编制更加方便高 效;产品的安全性和稳定性更高。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 4 ꢀ 结ꢀ 论 [ 1]ꢀ 李云逸. 基于 Elecworks 的 S7-1200 / 1500 船舶泵浦管理系统的 应用 [J]. 船舶技术应用研究,2017,37(7):10-14. ( 1) 芜湖和成矿业通过该套自动化系统的投 产,减少了现场操作人员的配置,提高了生产效率, 同时在生产过程中出现故障情况时,控制系统可以 起到保护作用,避免出现生产事故,提高了生产流程 的稳定性。 [2]ꢀ 李辉中,谷ꢀ 盛. 西门子 S7-1500 控制系统在水泥厂原料输送 机上的应用[J]. 自动化博览,2013,30(7):47-50. [ 3]ꢀ 华闰祺,徐海峰. 在 TIA 博途软件中实现 S7-1500 的组态控制 功能[J]. 现代制造技术与装备,2017(6):175-176. ( 收稿日期 2018-12-02ꢀ 责任编辑ꢀ 袁风香) ( 2)该项目是中钢集团马鞍山矿山研究院有限 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ [ [ [ [ [ [ [ [ 7]ꢀ 孙ꢀ 超,薄景山,孙有为. 上覆岩层性质对采空区地表变形影 响研究[J]. 防灾科技学院学报,2010(4):23-26. ( 上接第 218 页) 的地表移动与变形的一般规律。 此外,通过实地的调查分析,获取了该研究区因开采 沉陷造成的土地破坏状况。 8]ꢀ 张俊英. 采空区地表建筑地基稳定性模糊综合评价方法[J]. 北京科技大学学报,2015(11):132-136. 9]ꢀ 赵金刚,王家鼎,夏ꢀ 蒙. 模糊信息优化处理方法在采空区地 表移动变形预计中的应用[J]. 地下水,2013(2):142-143. 10]ꢀ 孟ꢀ 伟,张立伟,曾德礼. 不同因素作用下采空区对地表稳定 性影响分析[J]. 路基工程,2009(1):15-17. 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ [ [ 1]ꢀ 高广运,聂春晓,石ꢀ 超. 静荷载作用下采空区地表变形研究 综述[J]. 地下空间与工程学报,2014(S2):54-56. 2]ꢀ 张银洲,王鹏飞,杨ꢀ 喆. 采空区地表变形与采深采厚比关系 探讨[J]. 陕西煤炭,2014(4):65-68. 11]ꢀ 张安兵,高井祥,张兆江. 老采空区地表沉陷混沌特征及时变 规律研究[J]. 中国矿业大学学报,2015(2):273-276. 3]ꢀ 白春元,杨世宇,周ꢀ 鹏. 金州石棉矿采空区地表变形现状研 究[J]. 煤矿开采,2016(3):92-95. 12]ꢀ 彭刚剑,付玉华,董陇军. 基于距离判别法的采空区塌陷预测 研究[J]. 有色金属:矿山部分,2016(2):82-85. 4]ꢀ 姜ꢀ 瑜. 浅谈防止采空区地表移动及建筑物变形的措施[J]. 露天采矿技术,2005(6):28-31. 13]ꢀ 曹ꢀ 辉,张佳琳. 煤矿采空区充填工艺及进展[J]. 中国煤炭, 2 014(3):159-162. 14]ꢀ 范洪冬,张宏贞,邓喀中. 老采空区残余沉降预测参数研究 J]. 金属矿山,2015(1):82-85. 5]ꢀ 吴盛才,贺跃光. 概率积分法预计高速公路采空区地表变形 [ J]. 安全与环境工程,2017(5):88-90. [ 6]ꢀ 柴华彬,邹友峰. 煤矿采空区地表残余变形及稳定性研究[J]. 矿山测量,2014(6):77-79. ( 收稿日期 2018-10-09ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 2 48
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